Если вы хотите разгадать тайны Вселенной, вы, вероятно, подумаете о физике: астрономах, смотрящих в телескопы за далекими галактиками или экспериментаторах, разбивающих частицы в Большом адронном коллайдере.
Когда биологи пытаются разгадать глубокие тайны жизни, мы тоже склонны обращаться к физике. Но наше новое исследование, опубликованное в журнале Science, отмечают американские ученые Крейг Уайт и Дастин Маршалл, показывает, что физика не всегда отвечает на вопросы биологии.
На протяжении веков ученые задавались вопросом, почему крупные животные сжигают меньше энергии и требуют меньше пищи, чем мелкие животные в расчете на килограмм веса. В то время как большой кит в виде криля на ежедневной диете с”едает всего 5-30% от массы тела, почему маленькое животное должно есть в три раза больше собственного веса в день?
Хотя предыдущие попытки объяснить эти отношения были основаны на физике и геометрии, мы считаем, что реальный ответ эволюционный. Эти отношения максимизируют способность животного производить потомство.
Насколько физические ограничения влияют на жизнь?
Самое раннее объяснение непропорциональной связи между метаболизмом и размером было предложено около 200 лет назад.
В 1837 году французские ученые Пьер Саррус и Жан-Франсуа Рамо утверждали, что энергетический обмен должен зависеть не от массы или объема тела, а от площади поверхности. Это связано с тем, что метаболизм вырабатывает тепло, а количество тепла, которое может излучать животное, зависит от площади поверхности.
За 185 лет, прошедших с момента презентации Сарруса и Рамо, было предложено множество альтернативных объяснений наблюдаемого масштабирования метаболизма.
Пожалуй, самый известный из них был опубликован в 1997 году американскими исследователями Джеффом Уэстом, Джимом Брауном и Брайаном Энквистом. Они предложили модель, описывающую физическую транспортировку основных материалов через сети ветвящихся трубок, таких как система кровообращения.
Эти две модели философски схожи. Как и многие другие подходы, заложенные в прошлом веке, они пытаются объяснить биологические закономерности, используя физические и геометрические ограничения.
Эволюция находит способ
Живые организмы не могут игнорировать законы физики. Однако эволюция доказала способность находить способы преодоления физических и геометрических ограничений.
В новом исследовании К. Уайт и Д. Маршалл решили посмотреть, что будет с отношением между скоростью метаболизма и размером, если мы проигнорируем подобные физические и геометрические ограничения.
Поэтому они разработали математическую модель того, как животные используют энергию на протяжении всей своей жизни. В указанной модели животные тратят энергию на рост в начале своей жизни, а потом тратят больше энергии на размножение во взрослой жизни.
Ученые использовали модель для определения того, какие характеристики животных приводят к наибольшему размножению на протяжении всей их жизни — ведь с эволюционной точки зрения размножение является основной игрой.
К. Уайт и Д. Маршалл обнаружили, что животные, которые, как ожидается, будут наиболее успешными в размножении, точно показали непропорциональное масштабирование метаболизма по размеру, который мы видим в реальной жизни!
Это открытие показывает, что непропорциональное метаболическое масштабирование не является неизбежным следствием физических или геометрических ограничений. Вместо этого естественный отбор производит это масштабирование, потому что оно полезно для размножения на протяжении всей жизни.
Неизведанная пустыня
По словам известного американского биолога-эволюциониста российского происхождения Феодосия Добжанского, в свете эволюции ничего в биологии не имеет смысла.
Открытие К. Уайта и Д. Маршалла показывает, что непропорциональное масштабирование метаболизма может происходить даже без физических ограничений и свидетельствует о том, что мы ищем объяснения не в том месте.
Физические ограничения, основные движущие силы биологических моделей, могут быть менее частыми, чем считалось. Существующие возможности для эволюции шире, чем мы думали.
Почему исторически мы так охотно прибегали к физическим ограничениям, чтобы объяснить биологию? Возможно, потому, что мы чувствуем себя более комфортно в безопасном убежище универсальных физических объяснений, чем в относительно неизведанной биологической пустыне эволюционных объяснений.
Почему более крупные животные более энергоэффективны? Новый ответ на многовековую биологическую загадку
